随着我国铁路网的不断完善,长距离铁路列车不断增多,夕发朝至动车组列车的需求也日益增大。由于铁路列车白天行车密度大,目前我国铁路通常在0:00-6:00内进行综合检修作业,这就和夕发朝至动车组列车的开行需求产生了矛盾,导致运力资源配置与客运需求不匹配。因此,本文主要针对夕发朝至动车组列车的OD客运需求展开研究,为提高列车开行方案对旅客出行需求的适应性提供理论支撑和优化方法。首先,根据出行运距划分客流,分别建立基于随机非线性效用函数的混合Logit模型和基于改进非线性效用函数的混合Logit模型,以最大化旅客群体的整体效用价值。根据极大模拟似然估计法,将两个Logit模型的似然函数分别作为目标函数来降低计算复杂度。同时在基于随机非线性效用函数的混合Logit模型中引入了两个离散型随机变量,即旅客出行费用和出行时间,采用Metropolis-Hastings算法迭代求解每个随机变量的后验概率。然后,提出改进的启发式算法求解预测模型的待估参数和最优解,并与牛顿法、蚁群算法、模拟退火算法的运行时间、收敛速度和迭代的最优结果进行实验的对比与分析,实验的结果表明,该改进算法在各方面均最优。其次,建立列车停站方案与票额分配方案一体化模型,将客运需求预测结果作为该优化模型的输入数据,优化目标是覆盖更多的旅客需求,最大化旅客满意度和列车区间载客量,找出列车最优的停站方案和票额在各OD的最优配置。为了提高模型的求解效率,降低计算复杂度,通过分析模型的结构特点提出基于拉格朗日松弛的启发算法来求解该优化模型。最后,由于京沪高速铁路是我国最具代表性的一条高铁线路,本文通过预测京沪通道上的夕发朝至动车组列车的客运需求,以此为基础来优化夕发朝至动车组列车的开行方案,并检验所提预测模型和优化模型与求解方法的合理性与适用性。